在压花钢辊上产生具有结构的表面的方法和设备技术

一种利用短脉冲激光在压花钢辊的表面上形成结构的方法，其中所述结构为维度超过20μm而深度达150μm和更多的宏观结构，结构本身的区别来自以下参数组合：a)在单个脉冲操作中，能流在0.5J/cm2到3.5J/cm2范围内，以及在脉冲串模式中，平均脉冲串能流为每脉冲0.5J/cm2到70J/cm2；b)波长为532nm至1064nm；c)重复率为1kHz到10MHz；d)工件上的脉冲到脉冲间隔，对于飞秒激光为光束直径的10％至50％，对于皮秒激光，为光束宽度的10-25％和40-50％；e)激光脉冲位置接近工件表面；以及f)偏转速度达100m/s和更高。这样的方法允许制造具有用于产生徽标的辊齿和间隙的完整的压花辊，辊齿具有可变的高度、形状和间距，用于对例如卷烟包装的内衬压花。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】一种利用短脉冲激光在压花钢辊的表面上形成结构的方法，其中所述结构为维度超过20μm而深度达150μm和更多的宏观结构，结构本身的区别来自以下参数组合：a)在单个脉冲操作中，能流在0.5J/cm2到3.5J/cm2范围内，以及在脉冲串模式中，平均脉冲串能流为每脉冲0.5J/cm2到70J/cm2；b)波长为532nm至1064nm；c)重复率为1kHz到10MHz；d)工件上的脉冲到脉冲间隔，对于飞秒激光为光束直径的10％至50％，对于皮秒激光，为光束宽度的10-25％和40-50％；e)激光脉冲位置接近工件表面；以及f)偏转速度达100m/s和更高。这样的方法允许制造具有用于产生徽标的辊齿和间隙的完整的压花辊，辊齿具有可变的高度、形状和间距，用于对例如卷烟包装的内衬压花。【专利说明】在压花钢辊上产生具有结构的表面的方法和设备
根据权利要求1的前序部分，本专利技术涉及在压花钢辊上产生具有结构的表面的方法和设备。
技术介绍
压花钢辊，例如用于，对用作所谓包装卷烟的内衬的箔来压花，主要通过本专利技术的 申请人:，如按照W0-2009/155720，US-7 036 347或EP2 336 823而公知。利用这样的压花辊，使这些箔同时被进行抛光处理，即在大面积上均质地提供非常细的凹陷，并提供徽标，在这些徽标位置压花辊的辊齿被完全或部分地去除。此外，压花辊上的辊齿和/或间隙可以成形为给箔提供鉴别特征和/或强化等。此外，根据授予本专利技术 申请人:的EP2 027994A2，有些压花辊被设计为折页辊。所以，现有技术的压花辊在所谓针向上配置的情况下具有非常细的辊齿，而在所谓针向下配置情况下具有对应于辊齿的凹陷，以及就有产生未压花徽标的间隙，并且比如根据US-7 229 681，这些辊齿可以具有叠加的微观结构。其厚度在大约5 μ m到大约400 μ m的箔包括，薄金属箔，如铝箔；所有种类的合成箔；具有纸和/或合成层的杂合成分的箔，可能提供金属喷镀，等等。它们还包括上文提及的内衬的重要类别，这种内衬例如，被用于卷烟包装并可以如由镀金属的纸张组成。此外，应当注意，尽管纯粹的机械加工会在质量和数量上产生非常好的结果，但是可能性受限于加工工具的尺寸。机械加工总是留下毛刺或者其他不需要且令人不快的痕迹。最重要的是，在没有巨大支出的情况下，无法生产出具有在不选择情况下就能够配对的互补的正/负——公/母，或针向上-针向下结构的大的辊表面。在RU-2368504中建议,产生徽标间隙时主要通过电侵蚀或电化学方式,其中能够以相同方式或机械方式制造辊齿。在诸如铜的均质材料上这种高质量是可能的，然而钢的粒状基本结构使得以高质量直接加工表面更加困难。以当前技术，这些方法不适于合理的工业生产，因为它们极为消耗时间和材料。利用当前的脉冲宽度大约为30ns的钕-YAG型消融激光系统，有可能在更小表面上在大约100 μ m的深度向下到大约70 μ m的行间隔实现某种程度上更精细的加工。此外，在W0-2007/012215A1、EP-2 327 502A1 和 EP-2 327 503A1(全部是本专利技术的 申请人:的专利申请)中，所公开的激光系统适于在压花辊上产生非常精细比如晶格结构之类的结构，脉冲长度在纳秒至飞秒范围内的激光被用于产生在纳米范围内的晶格。这些方法很好地适于在微米和亚微米范围内对小表面积形成微观结构，但是不适于在压花表面上以大约20 μ m及以上的结构细节对钢进行想要的直接大表面微细加工(macro-machining)。具有硬钢表面的棍是令人关注的,不过，由于它们允许直接地和快速地对箔和更确切地说是对内衬压花，所以这些箔很薄而相对地无弹性并且由于其水蒸气密闭性非常适于食物安全包装。不过，有需要快速地、一致地或者具有有意的差异地来提供大的表面积，如整个压花辊或者可能是多个同样的压花辊，即以高的绝对和相对精度，结构从20 μ m上至400 μ m,而深度深至400 μ m，这样的结构包括辊齿和相关联的凹陷，根据情况而定。利用塑性涂层柱面上激光的公知雕刻方法，使用数字存储的、表示被分解为像素的图像的数据。这些像素通常产生小杯形的凹陷。声-光调制器用于以许多强度等级调制激光束的强度，从而在印刷模具被压在例如箔上时，例如根据EP-1 245 326产生灰度阴影或亮度差异。在这种情况下，由于二维点阵中焦点的排列，点阵中紧密邻近的雕刻不利地彼此影响。可能导致相当多的热量产生或者材料或局部压花图案的不希望的变化。此外，从杯附近的表面飞起的大量消融残渣和微粒令人不快。最后，该过程在如此定义的表面积，例如IOmmXlOmm内以所谓的块结构形式被清理。在执行可能引起不连续性的机械运动以及在加工操作前必须被缓和的震动之后，再加工下一个块。过多的跳跃可能导致空气紊乱，它可能使得连续排出残渣复杂化。根据W0-97/19783已知，使用两束分开的激光进行激光雕刻，一束用于精细雕刻而第二束用于深雕刻。不过，没有公开对种类、功率和脉冲持续时间作为一方面，以及对雕刻深度的具体指示。US-5416 298和W0-2009/010244A1公开的激光雕刻装置适于雕刻旋转印刷模具，而未展示关于逐块技术的上述提及的缺点。在螺旋线上以非常高的速度和高质量执行雕亥IJ。重要优点在于，由于应用了偏转单元，如声光或电光调制器，表面的每个点都由多个激光脉冲而不是由单个激光脉冲处理。各个脉冲的撞击之间的时间间隔可以选择为大到足以避免相互干扰或热过载。不过，没有公开与产生上述具有宏观结构的压花辊相关的数据，即高度为0.1至0.4mm的非常大量的辊齿以及用于产生大多数不同种类徽标或其他结构的无辊齿表面，在压花辊加工中，应当不发生材料的融化和软化，尽管在现有技术的激光系统中观察到整体和局部发热的大规模增加。的确，现今已公知大量面市的激光系统，它们有可能实现所期望的钢辊表面结构，但是仅仅在它们配备了考虑本专利技术的参数设计的适宜的光束控制时，才能实现这种可能性。
技术实现思路
因此，总而言之，尽管有可能通过机械装置产生尖端到尖端间隔小至0.1mm的非常精细的辊齿和明显徽标，并且已经公知有用于产生非常精细光栅结构的激光系统，但是更快地甚至更精确地在压花钢辊上产生带有宏观结构的更精细表面，从而允许设计的可能性更多样化，如可变的辊齿间隔和形状，以及公母辊的工业制造以及对最多样化的箔材料的灵活多样的应用，这样的需求在增长，因此它是本专利技术的目的。通过根据独立权利要求1和6的方法和设备实现这个目的，根据这些技术方案，指出用于在特定条件下适当控制消融处理的具体参数。【专利附图】【附图说明】后文将参考示范实施例的略图更详细地讲解本专利技术，其中图1显示了用于连续雕刻的本专利技术激光系统的第一个示范实施例；图2显示了用于逐块雕刻的本专利技术激光系统的第二个示范实施例；图3显示了激光脉冲串的示意性展示。【具体实施方式】所描述方法的一个基本新颖性在于为现代材料提供雕刻维度超过20 μ m，也更确切地说超过70 μ m,而雕刻深度达400 μ m的宏观维度表面结构的可能性，而对于常规的激光加工方法则不可能实现。在宏观技术中，也很需要能够在非均匀高合金铁基材料的表面产生结构，在有关表面结构的制造技术中这变得日益本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用短脉冲激光在压花钢辊上产生具有结构的表面的方法，所述结构为维度超过20μm而深度达150μm和更多的宏观结构，由以下参数组合产生：a)能流在0.5J/cm2到70J/cm2范围内，b)波长为532nm至1064nm，c)重复率为1kHz到10MHz，d)工件上的脉冲到脉冲间隔，对于飞秒激光为光束直径的10％‑50％，对于皮秒激光用于高密度，为光束宽度的10‑25％，对于皮秒激光用于低密度，为光束宽度的40‑50％，e)激光束聚焦平面的位置接近工件表面，和f)偏转速度达100m/s和更高。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·伯格利，S·威斯曼特尔，G·雷瑟，P·利克谢特，W·斯蒂芬，
申请(专利权)人：伯格利格拉维瑞斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH